一种基于熵产分析的核电用泵环形压水室水力优化设计方法与流程

本发明涉及泵压水室水力优化设计领域，尤其是一种基于熵产分析的核电用泵环形压水室优化设计方法。

背景技术：

核电是技术上已经相对成熟，且能大规模开发并提供稳定电力输出的清洁能源。在核电站中，无论是一回路、二回路还是配套系统，泵都是很重要的设备。由于核电用泵的安全要求极其苛刻，其压水室一般设计成环形，从而满足耐高温高压要求。相对于螺旋型蜗壳，环形压水室的水力效率较低。环形压水室的主要作用是：一、安全保护，防止高温高压的冷却剂从泵内泄露；二、收集导叶中流出的工作介质，并将动能转化为压能。因此，环形压水室对核电用泵高效可靠的运行至关重要。

经检索，申请号201310749288.8的专利提出“一种核主泵泵体的设计方法”，将泵体流道各截面的过流面积和泵体出口面积控制在一定范围内，并与导叶出口面积满足一定关系，达到减小流动损失，提高泵体的水力性的目的。该方法经验性较强，较难定量确定设计参数。

在一个系统中，由于存在不可逆的耗散效应，损失的机械功转化为热能(耗散热)被工质吸收，这种由耗散产生的熵增量就是熵产，为了达到定量分析和优化的目的，本发明提出一种基于熵产分析的核电用泵环形压水室优化设计方法。

技术实现要素：

为了解决上述存在的技术问题，本发明提出一种基于熵产分析的核电用泵环形压水室优化设计方法，从而找到水力损失大的位置，有效提升环形压水室的水力效率，并采用类球型压水室，保证运行安全。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种基于熵产分析的核电用泵环形压水室水力优化设计方法，步骤A)根据核电用泵叶轮参数及性能要求，确定环形压水室设计参数，其中叶轮参数为叶轮直径D₂、叶轮出口宽度b₂；环形压水室设计参数为：压水室的基圆直径D₅＝(1.4～2)D₂；进口收缩角α＝(0,20]；出口段扩散角β＝[5,30]；压水室进口宽度b₅＝[1.3,4]b₂；压水室过流断面直线段高度h＝[0.1,5]b₂；压水室过流断面高度H＝[1.5,7.5]b₂；；压水室过流断面高度H与压水室过流断面圆弧段半径r之比H/r＝[0.02,1]；压水室过流断面面积S因满足下列关系式：

$S=arcsin(b_5/2r)\·r^2-\sqrt{r^2-\frac{{b_2}^5}{4}}\·\frac{b_5}{2}+{\mathrm{hb}}_5;$

$S=\frac{Q}{v_3};$

其中，

b₂-叶轮出口宽度；

D₂-叶轮直径；

S-压水室过流断面面积；

Q-核电用泵的设计流量；

H-核电用泵的设计扬程；

v₃-压水室过流断面的平均速度；

k₃-速度系数；

r-压水室过流断面圆弧段半径；

步骤B)采用最优拉丁超立方试验设计方法，对步骤A)确定的压水室的设计范围进行设计，得到20-100组以上的压水室设计方案；

步骤C)分别对步骤B)中20-100组的压水室设计方案进行三维建模，并划分结构化网格，采用ANSYS CFX对各方案进行数值模拟，并在CFX后处理中编写熵产损失的计算公式，计算各个方案的熵产损失，并找到熵损失的位置，熵产损失的计算公式为：

$S_{EP}=\frac{\mathrm{\ρ}\mathrm{\ϵ}}{T}$

P＝∫_VTS_EPdV

S_EP-计算节点的湍流耗散产生的熵产损失；

ρ-计算节点的工作介质的密度；

ε-湍动能耗散率；

T-计算节点的温度；

P-整个积分域的熵产损失；

V-被积空间；

步骤D)采用切比雪夫正交多项式模型，建立步骤A)中压水室的设计参数与步骤C)中熵产损失的函数关系的近似模型；

步骤E)应用梯度优化算法求解步骤D)建立的近似模型，使得熵产损失最小，从而得到优化的设计参数。

进一步的，选定步骤A)中泵的流量为Q＝21642m³/h，扬程H＝111.3m，叶轮出口宽度b₂＝200mm，叶轮出口直径D₂＝800mm；压水室设计参数的设计范围为：压水室基圆直径D₅[1120mm,1600mm]、进口段收缩角α[0°,20°]、出口段扩散角β[5°,30°]、压水室进口宽度b₅[260mm,800mm]、压水室过流断面直线段高度h＝373mm，压水室过流断面高度H＝600mm，压水室过流断面圆弧段半径r＝830mm。

进一步的，压水室基圆直径D₅＝1320mm、进口段收缩角α＝10°、出口段扩散角β＝15°、压水室进口宽度b₅＝350mm、压水室过流断面直线段高度h＝373mm、压水室过流断面高度H＝600mm、压水室过流断面圆弧段半径r＝830mm。

有益效果：

1.一种基于熵产分析的核电用泵环形压水室优化设计方法，从而找到水力损失大的位置，有效提升环形压水室的水力效率，并采用类球型压水室，保证运行安全。

2.通过建立各个设计参数与熵产分析的函数关系，并采用优化算法求解该函数，以降低熵产为优化目标，从而得到最优的设计参数。

附图说明

图1为核电用泵环形压水室截面示意图；

图2为核电用泵环形压水室过流断面示意图；

图3为一种基于熵产分析的核电用泵环形蜗壳优化设计方法流程图。

附图标记如下：

1-压水室基圆直径；2-进口收缩角；3-出口段扩散角；4-压水室进口宽度；5-压水室过流断面直线段高度；6-压水室过流断面高度；7-压水室过流断面圆弧段半径。

具体实施方式

为对本发明进一步的理解，现结合附图说明如下：

结合附图1、2和3，一种基于熵产分析的核电用泵环形压水室水力优化设计方法，步骤A)根据核电用泵叶轮参数及性能要求，确定环形压水室设计参数，其中叶轮参数为叶轮直径D₂、叶轮出口宽度b₂；环形压水室设计参数为：压水室的基圆直径1为D₅＝(1.4～2)D₂；进口收缩角2为α＝(0,20]；出口段扩散角3为β＝[5,30]；压水室进口宽度4为b₅＝[1.3,4]b₂；压水室过流断面直线段高度5为h＝[0.1,5]b₂；压水室过流断面高度6为H＝[1.5,7.5]b₂；压水室过流断面高度6为H与压水室过流断面圆弧段半径7为r的比H/r＝[0.02,1]；压水室过流断面面积S因满足下列关系式：

$S=arcsin(b_5/2r)\·r^2-\sqrt{r^2-\frac{{b_2}^5}{4}}\·\frac{b_5}{2}+{\mathrm{hb}}_5;$

$S=\frac{Q}{v_3};$

其中，

b₂-叶轮出口宽度；

D₂-叶轮直径；

S-压水室过流断面面积；

Q-核电用泵的设计流量；

H-核电用泵的设计扬程；

v₃-压水室过流断面的平均速度；

k₃-速度系数，依据关醒凡著《现代泵理论与设计》查询；

r-压水室过流断面圆弧段半径；

将核电用泵的压水室过流断面设计为相等，使得压水室接近于球形，有利于结构对称受力，从而保证安全性能；

步骤B)采用最优拉丁超立方试验设计方法，对步骤A)确定的压水室的设计范围进行设计，得到20-100组以上的压水室设计方案；

步骤C)分别对步骤B)中20-100组的压水室设计方案进行三维建模，并划分结构化网格，采用ANSYS CFX对各方案进行数值模拟，并在CFX后处理中编写熵产损失的计算公式，计算各个方案的熵产损失，并找到熵损失的位置，熵产损失的计算公式为：

$S_{EP}=\frac{\mathrm{\ρ}\mathrm{\ϵ}}{T}$

P＝∫_VTS_EPdV

SEP-计算节点的湍流耗散产生的熵产损失；

ρ-计算节点的工作介质的密度；

ε-湍动能耗散率；

T-计算节点的温度；

P-整个积分域的熵产损失；

V-被积空间；

步骤D)采用切比雪夫正交多项式模型，建立压水室的设计参数与熵产损失的函数关系的近似模型；

步骤E)应用梯度优化算法求解步骤D)建立的近似模型，使得熵产损失最小，从而得到优化的设计参数。

其中，选定步骤A)中泵的流量为Q＝21642m³/h，扬程H＝111.3m，叶轮出口宽度b₂＝200mm，叶轮出口直径D₂＝800mm；压水室设计参数的设计范围为：压水室基圆直径1D₅[1120mm,1600mm]、进口段收缩角2为α[0°,20°]、出口段扩散角3为β[5°,30°]、压水室进口宽度4为b₅[260mm,800mm]、压水室过流断面直线段高度5为h＝373mm，压水室过流断面高度6为H＝600mm，压水室过流断面圆弧段半径7为r＝830mm。

压水室基圆直径1为D₅＝1320mm、进口段收缩角2为α＝10°、出口段扩散角3为β＝15°、压水室进口宽度4为b₅＝350mm、压水室过流断面直线段高度5为h＝373mm、压水室过流断面高度6为H＝600mm、压水室过流断面圆弧段半径7为r＝830mm。

实施例：以某型核电用泵为例，泵的流量为Q＝21642m³/h，扬程H＝111.3m，叶轮出口宽度b₂＝200mm，叶轮出口直径D₂＝800mm。本实施案例只选取压水室基圆直径1为D₅、进口段收缩角2为α、出口段扩散角3为β、压水室进口宽度4为b₅作为设计变量，其设计范围分别为[1120mm,1600mm]、[0°,20°]、[5°,30°]、[260mm,800mm]，压水室过流断面直线段高度5为h＝373mm，压水室过流断面高度6为H＝600mm，压水室过流断面圆弧段半径7为r＝830mm。采用最优拉丁超立方试验设计方法，设计了以下20组方案，如下表所示。

表1

对各个核电环形压水室方案进行三维建模，与叶轮、导叶相匹配，并划分结构化网格，采用ANSYS CFX对各方案进行数值模拟，并在CFX后处理中，引入熵产公式，计算各个方案的熵产损失，如表1所示，采用切比雪夫正交多项式模型建立设计参数与熵产损失的近似模型，并用梯度优化算法进行求解，其熵产损失为340365W，求得最佳的设计参数为压水室基圆直径1为D₅＝1320mm、进口段收缩角2为α＝10°、出口段扩散角3为β＝15°、压水室进口宽度4为b₅＝350mm。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。